Flüssigkühlung im Data Center mit Rear Door Heat Exchanger und Tauchkühlung

Die Flüssigkühlung bietet eine hohe Energieeffizienz, ist aber auch schwierig umzusetzen. Der Mittelweg liegt in der indirekten Wasserkühlung.

Zur Kühlung der Infrastruktur in Rechenzentren bestehen inzwischen unterschiedlichste Ansätze. Im ersten Teil zu den Grundlagen der Data-Center-Kühlung haben wir Konzepte der Luftkühlung wie das Kyoto-Rad, die Kalt- bzw. Warmgang-Einhausung oder auch die In-Row-Kühlung vorgestellt. Dieser zweite Teil dreht sich um die indirekte und direkte Wasserkühlung durch Rear Door Heat Exchanger und Tauchkühlung.

Die Flüssigkühlung mit kühlem Wasser oder anderen flüssigen Kühlmitteln erhöht zwar die Energieeffizienz in Rechenzentren, gilt aber als schwer umzusetzen und vor allem als kostspielig in Anschaffung und Wartung. Flüssiggekühlte Wärmetauscher direkt am Server-Rack, sogenannte Rear Door Heat Exchanger, bieten einen möglichen Mittelweg.

Tauchkühlung in der Kühlflüssigkeit

Die Tauchkühlung ist eine eher neue Kühltechnik. Hier werden die Server vollkommen in einer nichtleitenden Kühlflüssigkeit versenkt, die das Equipment damit direkt kühlt. Als Storage sollten hier vor allem Solid-State Disks (SSD) zum Einsatz kommen, aber auch normale Speichermedien können verwendet werden, sofern sie vorab versiegelt werden. Die Tauchkühlung eliminiert 10 bis 20 Prozent des Energieverbrauchs eines Servers und macht gleichzeitig die anfälligsten Teile herkömmlicher Kühlsysteme obsolet.

Alleine die Trägheit der Kühlflüssigkeit, was die Wärmeaufnahme betrifft, sorgt dafür, dass Server auch im Fall eines Ausfalls der Kühlanlage im Toleranzbereich bleiben. Die einzigen beweglichen Teile bei der Tauchkühlung sind die Pumpen sowie die Ventilatoren. Ein einziges derartiges System kann Server mit einer Leistung von bis zu 25 kW über eine halbe Stunde hinweg kühlen, auch wenn alle mechanischen Komponenten des Kühlsystems ausgefallen sind. Derartige Systeme sind für Kapazitäten von bis zu 100 kW oder mehr ausgelegt und funktionieren unabhängig von klimatischen Bedingungen ohne separate Kühlanlage.

Das Ergebnis ist eine extrem hohe Energieeffizienz (weniger als die Hälfte eines luftgekühlten Rechenzentrums) und insgesamt niedrigere Kosten durch den Wegfall der Kühlanlage. Pools für die Tauchkühlung benötigen in etwa vier Quadratmeter Platz für 42 Höheneinheiten.

Eines der größten Probleme mit der Tauchkühlung besteht dabei im meist eher schwierigen Zugang zur ölgekühlten Hardware, etwa für Wartungs- oder Reparaturaufgaben. Zumindest in der frühen Phase hat dies aber Pilotprojekte nicht beeinträchtigt.

Diese Art der direkten Flüssigkühlung taucht derzeit vor allem im Bereich des High Performance Computing wieder auf. Manche Industrieexperten gehen zudem davon aus, dass mit der zunehmenden Verkleinerung von Servern bei gleichzeitig immer größerer Rechenkapazität die Tauchkühlung in Zukunft wieder an Bedeutung gewinnen wird.

Die Tauchkühlung nutzt Kühlwasser oder eine andere Kühlflüssigkeit, um über einen speziellen Kühlkörper die Abwärme direkt am Prozessor aufzunehmen. Anschließend wird die Kühlflüssigkeit zu einem zweiten Wärmetauscher in jedem Schrank oder manchmal sogar den ganzen Weg zurück zum zentralen Kühlsystem geleitet.

Mit diesem Vorgehen versucht man, dem Risiko von Lecks vorzubeugen, indem Hersteller so wenig Verbindungspunkte einbauen wie möglich. Während reguläre Data Center lediglich Strom- und Netzwerkverbindungen benötigen, müssen bei der Tauchkühlung dafür aber auch Rohrleitungen im Rechenzentrum verlegt und gewartet werden.

Rear Door Heat Exchanger

Bei der Kühlung mittels Rear Door Heat Exchanger (RDHX) kommen im Serverschrank perforierte Rückseiten zum Einsatz, bei denen die warme Abluft durch Löcher geleitet wird. Die wassergekühlte Rückseite fungiert so als Wärmetauscher und kühlt die Abluft, während sie durch die perforierte Rückseite geleitet wird.

Weitere Artikel zum Thema Data-Center-Design

Was bringt eigentlich die Ionisierung von Luft im Data Center

Effizient, modular und DCIM-gesteuert: Die Data-Center-Trends 2015

Von Stromversorgung bis Kühlung: Konzeption eines zukunftssicheren Data Centers

Einer der großen Vorteile eines Rear Door Heat Exchanger ist die hohe Leistungsfähigkeit auch mit wärmerem Kühlwasser. Während ältere Wasserkühlungen noch mit einer Wassertemperatur von um die sieben Grad Celsius arbeiten, gehen modernere Anlagen eher in Richtung 12 bis 15 Grad. Anders als andere wasserbasierten Kühlsysteme arbeiten Rear Door Heat Exchanger auch in diesem Temperaturbereich noch mit einer ausreichend hohen Effizienz.

Heat Exchanger lassen sich zudem an Racks von beinahe jeder Größe nutzen. Dabei benötigen sie in der Tiefe etwa 15 Zentimeter Platz sowie natürlich Wasserschläuche- und pumpen. RDHX-Installationen basieren auf Kühlwasserkreisläufen und sind daher nie völlig vom Rest des Kühlsystems abgeschottet. Aus diesem Grund sollte gerade auch hier Redundanz ein wesentliches Merkmal bei Planung sein.

Selbstkühlende Serverschränke können viele Probleme auf einmal lösen, vor allem, wenn ein großflächiges Infrastrukturupdate der Kühlsysteme nicht möglich ist und es um wenige, aber besonders dicht verbaute und hochleistungsfähige Server geht. Die Schränke selbst sind dabei komplett abgeschlossen, nehmen also die Abwärme im Schrank auf, kühlen sie herunter und geben sie als Kühlluft wieder an die Hardware ab.

Diese RDHX-Schränke können sowohl mit Wasser als auch mit anderer Kühlflüssigkeit gekühlt werden, sogar ein eigener Kühlkompressor (so ähnlich wie bei einem Kühlschrank) ist denkbar. Selbstgekühlte Serverschränke sind dabei natürlich etwas größer als herkömmliche Serverschränke und kosten auch mehr – wenn auch meist nicht so viel wie eine komplette Erneuerung der gesamten Data-Center-Kühlung.

Die größten Bedenken beim Einsatz von Rear Door Heat Exchanger ist die Gefahr eines Ausfalls. Es gibt zwar Systeme, bei denen die Kühlkomponenten im laufenden Betrieb ausgetauscht werden können, im Normalfall kommt aber lediglich ein automatisch ausgelöster Mechanismus zum Einsatz, der im Fall eines Kühlausfalls einfach die hintere Abdeckung öffnet. Damit muss die Server-Hardware auf die regulären Kühlsysteme im Data Center zurückgreifen und dürfte in den meisten Fällen innerhalb weniger Minuten überhitzen.

Robert McFarlane
Robert McFarlane ist Leiter des Data-Center-Designs bei Shen Milsom und Wilke LLC. Er bringt mehr als 35 Jahre Erfahrung mit sich und ist Experte für Data-Center-Stromversorgung und -Kühlung. Er war Pionier beim Kabel-Design und ist ein Vorstandsmitglied bei ASHRAE TC9.9. McFarlane unterrichtet auch beim Marist College's Institute for Data Center Professionals.

Folgen Sie SearchDataCenter.de auch auf Twitter, Google+ und Facebook!

Artikel wurde zuletzt im April 2015 aktualisiert

Erfahren Sie mehr über Data-Center-Infrastruktur

- GOOGLE-ANZEIGEN

ComputerWeekly.de

Close